Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp I Hà Nội

Nguyễn Xuân Thành - Lê Văn Hng - Phạm Văn Toản
Chủ biên và hiệu đính
PGS.TS. Nguyễn Xuân Thành Giáo trình

Công nghệ vi sinh vật
trong sản xuất nông nghiệp và
xử lý ô nhiễm môi trờng

Nhà xuất bản nông nghiệp
Hà Nội - 2003
Lời nói đầu
Công nghệ vi sinh vật (Microbial Technology) là một bộ phận quan trọng trong Công nghệ
sinh học, là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sống của vi sinh vật, nhằm khai
thác chúng tốt nhất vào quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp. Những tiến bộ của công nghệ
sinh học vi sinh vật ngày càng xâm nhập sâu trong mọi lĩnh vực hoạt động của con ngời. Với
mục tiêu làm sao cho sự phát triển của công nghệ vi sinh nói riêng và công nghệ sinh học nói

1. Thuật ngữ
* Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia của
các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào hoặc dới tế bào) dựa trên các thành tựu tổng hợp
của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc gia tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi
ích của con ngời.
Công nghệ sinh học là một lĩnh vực khoa học công nghệ rất rộng, có thể chia công nghệ sinh
học thành các ngành sau:
+ Công nghệ vi sinh vật: Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khả năng kỳ diệu của
cơ thể vi sinh vật. Nhiệm vụ của công nghệ vi sinh là tạo ra đợc điều kiện thuận lợi cho các vi
sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất, phục vụ cho việc làm tăng của cải vật chất của xã hội,
đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con ngời và cân bằng sinh thái môi trờng.
+ Công nghệ tế bào: Các tế bào động, thực vật với bộ máy di truyền đặc trng cho từng loài
giống đợc tạo điều kiện phát triển trong các môi trờng xác định và an toàn. Kỹ thuật nuôi cấy
mô đợc coi là là kỹ thuật chủ yếu của công nghệ tế bào.
+ Công nghệ gen: Là ngành công nghệ sử dụng các phơng pháp thực nghiệm ứng dụng các
thành tựu của sinh học phân tử, di truyền học phân tử để tạo nên các tổ hợp tính trạng di truyền
mong muốn ở một loài sinh vật. Từ đó giúp điều khiển theo định hớng tính di truyền của sinh
vật. Công nghệ gen đợc coi là mũi nhọn của công nghệ sinh học, là chìa khóa để giúp mở ra
những ứng dụng mới trong công nghệ vi sinh vật.
2. Nội dung và yêu cầu của môn học
+ Nắm đợc nguyên lý cơ bản của công nghệ vi sinh vật, về bản chất của từng loại chế phẩm
vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu quả tác dụng và cách sử dụng của từng loại chế phẩm dùng
trong lĩnh vực nông nghiệp và xử lý phế thải nông, công nghiệp chống ô nhiễm môi trờng.
+ Định hớng trong nghiên cứu về các lĩnh vực của công nghệ vi sinh vật để tạo ra nhiều loại
chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp và phục vụ đắc lực cho hoạt
động sống của con ngời.
+ Tuyên truyền và hớng dẫn ngời dân sử dụng các loại chế phẩm vi sinh vật, nhằm tạo ra
nhiều của cải vật chất và bảo vệ môi trờng sinh thái xanh sạch, phát triển nền nông nghiệp bền
vững.
II. Lịch sử của công nghệ sinh học và chế phẩm vi sinh vật

Nhận xét này đã đợc những ngời cổ La Mã quan tâm vào những năm 30 trớc công nguyên.
Họ đã đề nghị luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu.
Trớc thế kỷ 15, tất cả những sự kiện xảy ra trong tự nhiên và trong cuộc sống con ngời đều
đợc cho là "do Chúa trời định sẵn hay ma quỷ ám hình". Nhng con ngời khi đó cũng đã biết
áp dụng một số quy luật tất yếu của thiên nhiên vào trong cuộc sống, nh: ủ men nấu rợu, xen
canh hoặc luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu Họ không có khái niệm về bản chất của
các công nghệ, mà hoàn toàn làm theo kinh nghiệm và cảm tính. Tuy nhiên, Tổ tiên của chúng ta
đã rất thành thạo trong việc sử dụng các phơng pháp vi sinh vật để chế biến thực phẩm.
b) Giai đoạn phát hiện ra thế giới vi sinh vật
Thế kỷ 17, nhà bác học nổi tiếng ngời Hà Lan - An Tôn Van Lơ Ven Húc (1632 -1723) đã
chế tạo đợc loại dụng cụ bằng nhiều lớp kính ghép lại với nhau có độ phóng đại 160 lần, đó là
kính hiển vi nguyên thuỷ. Bằng loại dụng cụ này An Tôn Van Lơ Ven Húc đã phát hiện ra một
thế giới mới đó là thế giới huyền ảo của các loài vi sinh vật. Ông không chỉ là ngời đầu tiên phát
hiện ra thế giới vi sinh vật, mà còn có rất nhiều công trình khoa học cơ bản đợc ông viết trong
tuyển tập Những bí ẩn của thiên nhiên năm 1695.
Đầu thế kỷ 19, nhiều công trình khoa học ra đời trong đó phải kể đến các công trình nghiên
cứu của nhà bác học nổi tiếng ngời Pháp - Pasteur (1822 - 1895), tiếp đó là Ivanopkii (1864),
Helrigell và Uyn Fac (1886), Vinagratxkii, BeyJerinh, Kôk Những công trình nghiên cứu của họ
là cơ sở cho sự phát triển của công nghệ vi sinh, nhờ đó một loạt các loại chế phẩm vi sinh vật ra
đời, Pasteur đã chỉ ra rằng vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. Kết quả
nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của công nghiệp lên men và sản xuất dung môi
hữu cơ nh: axeton (acetone), ethanol, butanol, izopropanol
c) Giai đoạn sản xuất và ứng dụng công nghệ vi sinh vật
Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 Pasteur đã chế thành công Vaccine phòng bệnh dại (1885); năm
1886 Hellrigel và Uyn Fac đã tìm ra cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử; năm 1895 - 1900
tại Anh , Mỹ, Ba Lan và Nga bắt đầu sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử; năm
1907 ở Mỹ ngời ta gọi chế phẩm vi sinh vật này là những chỉ nitơ; năm 1900 - 1914 nhiều nớc
trên thế giới triển khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Canađa, Tân Tây Lan, áo. Theo Fret và
cộng sự, thì trong thời gian này có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định
nitơ phân tử, trong đó có 9 xí nghiệp ở châu âu và một xí nghiệp ở Tân Tây Lan. Từ đó nhiều

mã hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên của một virus hay vi khuẩn gây bệnh nào đó.
+ Insulin: Việc sản xuất insulin ở quy mô công nghiệp ngày càng là một thành công rực rỡ
của công nghệ gen. Insulin là một protein đợc tuyến tụy tiết ra nhằm điều hòa lợng đờng
trong máu. Thiếu hụt insulin trong máu sẽ làm rối loạn hầu hết quá trình trao đổi chất ở cơ thể
dẫn đến tích nhiều đờng trong nớc tiểu. Để điều trị bệnh này ngời bệnh phải tiêm insulin.
Loại insulin chế từ tuyến tuỵ của gia súc hay đợc tổng hợp insulin bằng con đờng hóa học. Quá
trình tổng hợp rất phức tạp, rất tốn kém.
Năm 1978, H. Boger đã chế insulin thông qua kỹ thuật di truyền trên vi khuẩn Escherichia
coli, cụ thể ngời ta đã chuyển gen chi phối tính trạng tạo insulin của ngời sang cho Escherichia
coli. Với Escherichia coli đã tái tổ hợp gen này, qua nuôi cấy trong nồi lên men có dung tích
1000 lít, sau một thời gian gắn có thể thu đợc 200 gam insulin tơng đơng với lợng insulin
chiết rút từ 8.000 - 10.000 con bò.
+ Interferon: Interferon có bản chất protein, là chất giúp cho cơ thể chống lại đợc nhiều
loại bệnh. Để có đợc interferon ngời ta phải tách chiết chúng từ huyết thanh của máu nên rất
tốn kém. Cũng nh insulin, ngời ta chế interferon thông qua con đờng vi sinh vật. Năm 1980,
Gilbert đã thành công trong việc chế interferon từ Escherichia coli, năm 1981 họ thu nhận
interferon từ nấm men Saccaromyces cerevisiae cho lợng tăng gấp 10.000 lần so với ở tế bào
Escherichia coli.
+ Kích tố sinh trởng HGH (Human growth homone)
HGH đợc tuyến yên tạo nên, thông thờng muốn chế đợc HGH ngời ta phải trích từ tuyến
yên tử thi, mỗi tử thi cho 4- 6mg HGH, theo tính toán muốn chữa khỏi cho một ngời lùn phải
cần 100 - 150 tử thi.
Năm 1983, sự thành công của công nghệ vi sinh đã giúp con ngời chế đợc HGH từ vi sinh
vật. Cứ 1 lít dịch lên men Escherichia coli thu đợc lợng HGH tơng ứng với 60 tử thi.
+ Chất kháng sinh
Kháng sinh chế từ vi sinh vật đợc con ngời đầu t sản xuất từ lâu. Đến nay ngời ta đã tìm
thấy có tới 2500 loại thuốc kháng sinh với cấu trúc phân tử đa dạng trong số đó chủ yếu có nguồn
gốc từ vi sinh vật.
2. Trong lĩnh vực nông nghiệp
+ Cải tạo giống cây trồng: Thông qua kỹ thuật di truyền với sự hỗ trợ của vi sinh vật, con

khí của nhóm vi sinh vật yếm khí chịu nhiệt. Trong quá trình phân huỷ chuyển hóa các hợp chất
hữu cơ ngời ta thu đợc biogas,

phần cặn bã còn lại làm phân bón cho cây trồng.
+ Bảo vệ môi trờng: Công nghệ vi sinh đã tham gia tích cực trong vấn đề xử lý phế thải
công nông nghiệp, rác thải sinh hoạt, nớc thải làm sạch môi trờng bằng công nghệ vi sinh vật
hảo khí, bán hảo khí và yếm khí. Đây là vấn đề nóng hổi, cấp thiết trên toàn cầu hiện nay.
IV. Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế x hội và triển vọng của công
nghệ vi sinh vật trong thế kỷ 21
1. Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế xã hội toàn cầu
Trong khoảng 50 năm sau đại chiến lần thứ 2, song song với việc hoàn thiện các quy trình
CNSH truyền thống đã có từ trớc, một số hớng nghiên cứu và phát triển CNSH đã hình thành
và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát minh quan trọng trong ngành sinh học nói chung
và sinh học phân tử nói riêng, đó là lần đầu tiên xác định đợc cấu trúc của protein, xây dựng mô
hình cấu trúc đờng xoắn kép của phân tử ADN (watson và Krick, 1953).
* Một số hớng phát triển công nghệ sinh học
Lĩnh vực
ứng dụng
Nông nghiệp
Tạo chủng vi sinh vật mới để làm giống sản xuất chế phẩm vi sinh vật, áp dụng
trong lĩnh vực nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi, thuỷ hải sản, thuỷ nông cải tạo
đất, phân bón, bảo vệ thực vật ).
Sản xuất hàng hoá
Sản xuất acid hữu cơ (citric acid, itaconic acid, acetic acid ), sử dụng ezyme làm
chất tẩy rửa
Năng lợng
Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án sản xuất ethanol dùng làm
nhiên liệu.
Kiểm soát môi trờng
Hoàn thiện các phơng pháp kiểm soát và dự đoán tình trạng môi trờng. Tuyển

hơn 500 triệu USD các chế phẩm. Theo đánh giá cha đủ, thì năm 2000 tổng doanh thu từ CNSH
trên 100 tỷ USD.
ở Việt Nam, CNSH đã mang lại hàng trăm tỷ đồng/năm. Mặc dù CNSH và CNVS ở nớc ta
còn nhiều hạn chế, nhng những năm qua đã thực sự góp phần thúc đẩy phát triển nền nông
nghiệp nớc nhà theo hớng công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn. Phơng
hớng phát triển kinh tế xã hội ở nớc ta đến năm 2010 đã đợc Đảng và Nhà nớc chỉ rõ đó là:
Cách mạng tin học và cách mạng CNSH giữ vai trò động lực .
3. Vai trò của chế phẩm vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp
- Chế phẩm vi sinh vật không gây hại đến sức khỏe của con ngời, vật nuôi và cây trồng.
Không gây ô nhiễm môi trờng sinh thái.
- Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng cân bằng hệ vi sinh vật trong môi trờng sinh thái.
- Chế phẩm vi sinh vật không làm chai đất, mà làm tăng độ phì nhiêu của đất.
- Chế phẩm vi sinh vật đồng hóa các chất dinh dỡng cho cây trồng, góp phần làm tăng năng
suất và chất lợng nông sản phẩm.
- Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng tiêu diệt sâu hại và côn trùng gây hại.
- Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng làm tăng sức đề kháng của cây trồng.
- Chế phẩm vi sinh vật phân huỷ, chuyển hoá các chất hữu cơ bền vững, các phế thải sinh
hoạt, phế thải nông công nghiệp làm sạch môi trờng.